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      Cu/Al2O3與Cu/AlN復(fù)合陶瓷基板材料制備研究*

      2015-05-12 02:35:10謝建軍王亞黎施譽(yù)挺李德善
      陶瓷 2015年11期
      關(guān)鍵詞:結(jié)合力銅箔共晶

      謝建軍 王亞黎 施譽(yù)挺 李德善

      丁毛毛1 翟甜蕾1 章 蕾1 吳志豪2 施 鷹1

      (1上海大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院電子信息材料系 上海 200444)(2上海申和熱磁電子有限公司 上海 200444)

      前言

      隨著電子元器件功率密度的日益增大,陶瓷基板的應(yīng)用越來越廣泛。目前普遍使用的陶瓷基板材料主要有Al2O3、BeO、Si3N4、莫來石、AlN以及玻璃陶瓷。其中Al2O3和AlN陶瓷因無毒、原料來源廣泛,介電常數(shù)小,機(jī)械性能好,同時制備工藝性好,既可以用流延成形又可以常壓燒結(jié),所以是兩種使用占比最高的電子封裝導(dǎo)熱基板。

      但是若將Al2O3和AlN陶瓷材料應(yīng)用于電子封裝領(lǐng)域,首先要解決其和金屬的敷接問題。近幾年這方面的研究工作也很活躍,目前常見的金屬敷接方法主要有:Al2O3、AlN陶瓷和鎢、銅、鈦和鋁等金屬的結(jié)合[1~3]。在與不同金屬結(jié)合的方法過程中都有不可避免的缺點,如Al2O3、AlN陶瓷和金屬鎢的結(jié)合共燒溫度很高達(dá)1 900℃,工藝條件要求苛刻,而且形成的是厚膜電路,無法應(yīng)用在電力電子技術(shù)領(lǐng)域。它和金屬鋁的結(jié)合相對容易,但是鋁的化學(xué)性質(zhì)十分活潑,非常容易與空氣中的氧發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而在其表面上形成一層化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)致密的氧化膜,這層氧化膜的厚度通常在幾十納米左右。該氧化膜的存在嚴(yán)重阻礙了鋁和陶瓷的接合,使得其接合強(qiáng)度低而且牢固性差,所以在使Al2O3、AlN陶瓷敷鋁方法中,必須去除熔化的鋁液表面那層致密的氧化膜,鋁液才能夠濕潤Al2O3、AlN陶瓷基板,從而與Al2O3、AlN陶瓷基板牢固地粘結(jié)在一起。Al2O3、AlN陶瓷和金屬銅在敷接過程中,由于Cu與Al2O3、AlN陶瓷的浸潤性差異,所以通常需要采取不同的工藝進(jìn)行敷接,才能將Cu箔與Al2O3、AlN陶瓷緊密結(jié)合。由于Cu與AlN的浸潤性較差,首先要將AlN陶瓷氧化,使其表面形成一層薄薄的Al2O3陶瓷,然后利用直接敷銅(Direct Bond-ed Copper,DBC)技術(shù)將Cu箔和Al2O3陶瓷在1 060℃通過共晶反應(yīng)生成CuAlO2、Cu(AlO2)2等共晶過渡層化合物,從而實現(xiàn)Al2O3、AlN和金屬Cu箔的有效結(jié)合。

      圖1 Cu/Al2O3與Cu/AlN復(fù)合陶瓷基板材料的DBC制備工藝流程圖Fig.1 The DBC preparation process flow chart of Cu/Al2O3and Cu/AlN composite ceramic substrate materials

      筆者利用DBC技術(shù)在低于金屬銅熔點~20℃,分別在氧氣/氮氣氣氛下,將純Cu箔成功敷接在Al2O3、AlN陶瓷上而制備出Cu-Al2O3與Cu-AlN復(fù)合陶瓷基板材料,并使用SEM和機(jī)械剝離試驗機(jī)對其微觀形貌與界面結(jié)合強(qiáng)度性能進(jìn)行分析。圖1為Cu-Al2O3與Cu-AlN復(fù)合陶瓷基板材料的DBC制備工藝流程圖。

      1 實驗

      1.1 實驗用原材料

      圖2 Cu/Al2O3和Cu/AlN復(fù)合陶瓷基板材料的外形圖Fig.2 Photograph of Cu/Al2O3and Cu/AlN composite ceramic substrate materials

      實驗所用的原材料選用厚度為0.90mm 的Al2O3和AlN陶瓷和厚度為0.25mm的銅箔,首先在高溫下使Cu箔和AlN陶瓷表面先預(yù)氧化,隨后在高溫下分別使Cu箔與Al2O3、AlN陶瓷發(fā)生鍵合作用,形成牢固的鍵合,制成DBC鍵合試樣。圖2為按照圖1中的制備工藝流程通過DBC技術(shù)方法制備的Cu/(Al2O3,AlN)接合基板的實物圖片。

      1.2 Cu和Al2O3、AlN陶瓷基板的結(jié)合強(qiáng)度測試

      通過測試夾具將試樣裝夾在上海衡翼精密儀器有限公司生產(chǎn)的 HY-90BL剝離試驗機(jī)上對Cu/(Al2O3,AlN)復(fù)合陶瓷基板之間的結(jié)合強(qiáng)度進(jìn)行測試。研究使用的測試夾具是在車床上加工試樣所使用的裝夾夾具,這樣能夠保證HY-90BL剝離試驗機(jī)上試樣的裝夾同心度和垂直度等形位公差要求(<0.02 mm),確保測試結(jié)果的準(zhǔn)確所測試的Cu/(Al2O3,AlN)陶瓷結(jié)合的界面面積是5mm×25mm,銅板以90°(垂直)方法剝離,速度為5.0mm/min,拉力單位為N/mm。

      1.3 Cu/(Al2O3,AlN)基板的界面分析

      利用Magellan 400場發(fā)射掃描電子顯微鏡(Magellan 400SEM)觀察Cu/Al2O3和Cu/AlN復(fù)合陶瓷基板界面的微觀形貌并分析界面的成分及組成。

      2 實驗結(jié)果

      2.1 Cu/Al2O3和Cu/AlN復(fù)合陶瓷基板界面結(jié)合狀況

      圖3是使用Magellan 400場發(fā)射掃描電子顯微鏡拍攝的在~1 050℃敷結(jié)的Cu/(Al2O3,AlN)復(fù)合陶瓷基板界面放大16 000倍的顯微電鏡圖像。從圖3中的顯微圖像可以看出,在Cu箔和Cu/(Al2O3,AlN)陶瓷之間的結(jié)合致密,沒有絲毫的縫隙存在。但在金屬Cu箔和AlN陶瓷之間有一層厚度約為2μm的過度層生成。

      圖3 Cu/Al2O3和Cu/AlN復(fù)合陶瓷基板材料界面SEM圖像Fig.3 SEM micrographs of Cu/Al2O3and Cu/AlN composite ceramic substrate materials

      圖4是Cu/Al2O3封裝基板兩側(cè)Al2O3陶瓷和Cu箔內(nèi)部兩點(Spectrum1和Spectrum3)的能譜分析圖。從圖4可以看出,金屬Cu箔和Al2O3陶瓷之間的結(jié)合沒有任何新物質(zhì)生成。

      圖5是Cu/AlN封裝基板界面Spectrum1、Spectrum2點和界面兩側(cè)AlN陶瓷與銅箔內(nèi)部Spec-trum3、Spectrum4點的能譜分析圖。從圖5可以看出,由于有中間過渡層的存在而使得金屬Cu和氮化鋁陶瓷之間的結(jié)合緊密,經(jīng)元素分析此過渡層Spectrum1、Spectrum2這兩點的組成主要是N、O、Al和Cu元素,根據(jù)其化學(xué)計量比推斷主要為Al2O3和CuAlO2,為DBC工藝過程中對AlN陶瓷基板和銅箔進(jìn)行預(yù)氧化處理和共晶反應(yīng)的結(jié)果,其中含有的N和Cu元素還有可能是由于過渡層界面兩側(cè)AlN陶瓷基底(Spectrum3點)和Cu箔(Spectrum4點)的影響造成的。在過渡層界面兩側(cè)Spectrum3、Spectrum4點的能譜分析結(jié)果表明,這分別是基底AlN陶瓷和銅箔金屬層,其中分別含有少量Cu和O,這是由于在高溫敷結(jié)過程中發(fā)生基底與中間過渡層和中間過渡層與金屬薄層的相互擴(kuò)散或反應(yīng)所致。除此之外,再沒有新物質(zhì)生成。

      圖5 Cu/AlN復(fù)合陶瓷基板材料界面能譜分析Fig.5 EDS analysis of Cu/AlN composite ceramic substrate material interface

      根據(jù)圖4、圖5對Cu/(Al2O3,AlN)復(fù)合陶瓷基板界面能譜分析可知,Cu/(Al2O3,AlN)陶瓷的鍵合機(jī)理主要是由于首先在高溫預(yù)氧化AlN陶瓷和Cu箔時,分別在表面產(chǎn)生一層Al2O3氧化鋁和Cu2O薄層,在溫度高于低共熔點時,會出現(xiàn)Cu-Cu2O共晶液相,其中Cu2O相與Al2O3陶瓷有著良好的化學(xué)親合性,能使界面降低,使共晶液相很好地濕潤銅和陶瓷。同時,液相中的Cu2O與 Al2O3發(fā)生化學(xué)反應(yīng),形成CuAlO2,冷卻后通過Cu-Al-O化學(xué)鍵、Cu2O與陶瓷牢固地鍵合在一起[4~5]。在Cu2O與金屬銅箔接觸的一端,以Cu2O離子鍵將Cu2O與銅層緊密聯(lián)結(jié)起來,但這一層的鍵合力比Cu2O與Al2O3反應(yīng)的鍵合力小一些,這是因為Cu2O和Al2O3是化學(xué)鍵合,而Cu2O和Cu是物理熔合,因而DBC材料的鍵合強(qiáng)度主要受Cu-Cu2O之間的結(jié)合力限制。因此,Cu表面的氧化層,特別是其中形成Cu2O的區(qū)域面積和致密程度對以后的鍵合作用有嚴(yán)重影響,它將直接影響DBC板的鍵合強(qiáng)度。

      2.2 Cu/Al2O3和Cu/AlN復(fù)合陶瓷基板材料界面結(jié)合強(qiáng)度

      表1是利用上海衡翼精密儀器有限公司生產(chǎn)的HY-90BL機(jī)械剝離試驗機(jī)測定Al2O3、AlN陶瓷基板和Cu箔金屬層之間結(jié)合強(qiáng)度的測試結(jié)果。

      表1 Cu/Al2O3和Cu/AlN復(fù)合陶瓷基板材料界面結(jié)合力值Tab.1 Bonding strength of Cu/Al2O3,Cu/AlN composite ceramic substrate material

      從表1可以看出,改變敷接溫度對Cu/(Al2O3,AlN)結(jié)合強(qiáng)度的測試結(jié)果有一定的影響,隨著敷結(jié)溫度的升高,結(jié)合強(qiáng)度有逐漸增大的趨勢。在DBC工藝過程中,首先由于通過預(yù)氧化在AlN和銅箔表面生成Al2O3和Cu2O薄層,然后在高溫敷結(jié)過程中由于Cu-Cu2O-Al2O3的共晶反應(yīng)作用,增加了Cu箔與Al2O3、AlN陶瓷基底的浸潤性和結(jié)合力;另外由于在高溫敷結(jié)過程中發(fā)生基底與中間過渡層以及中間過渡層與金屬薄層的互擴(kuò)散或反應(yīng)明顯,使得金屬薄膜與陶瓷基片的接合非常牢固。所以隨著敷結(jié)溫度的升高,Cu箔與(Al2O3、AlN陶瓷基底間的結(jié)合力越大。另外,由于高溫下金屬Cu與Al2O3陶瓷的浸潤性比Cu與AlN陶瓷的更好,因此Cu箔與Al2O3陶瓷的結(jié)合力更大。

      3 結(jié)論

      1)在1 000~1 060℃、氧氣/氮氣氣氛下,通過預(yù)氧化Cu箔和AlN陶瓷表面,然后利用DBC技術(shù)能夠濕潤C(jī)u和Al2O3、AlN陶瓷基板,從而將二者牢固地粘結(jié)在一起,界面結(jié)合力超過8.00N/mm。

      2)在1 000~1 060℃,敷接溫度對Cu/(Al2O3,AlN)界面的結(jié)合強(qiáng)度有一定影響。

      3)金屬銅在與氮化鋁表面結(jié)合過程中,由于Cu/AlN之間有Al2O3、CuAlO2中間過渡薄層存在,使得Cu箔與Al2O3、AlN陶瓷結(jié)合緊密。而在高溫下金屬Cu與Al2O3陶瓷的浸潤性比Cu與AlN陶瓷的更好,因此Cu箔與Al2O3陶瓷的結(jié)合力比Cu與AlN陶瓷更大。

      1 岳瑞峰,王佑祥,陳春華,等.AlN陶瓷基板在空氣中的熱氧化行為探討[J].硅酸鹽學(xué)報,1998,26(5):555~562

      2 秦明禮,曲選輝,黃棟生,等.氮化鋁(AlN)陶瓷的特性、制備及應(yīng)用[J].陶瓷工程,2000(8):39~42

      3 彭榕,周和平,寧曉山,等.鋁/氮化鋁電子陶瓷基板的制備及性能的研究[J].無機(jī)材料學(xué)報,2002,17(6):1 203~1 208

      4 Lee S K,Tuan W H,Wu Y Y,et al.Microstructurethermal proper-ties of Cu/Al2O3bilayer prepared by direct bonding[J].J Eur Ceram Soc,2013,33:277~285

      5 Wei-Hsing Tuan,Shao-Kuan Lee.Review Eutectic bonding of copper to ceramics for thermal dissipation applications-a review[J].J Eur Ceram Soc,2014,34:4 117~4 130

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